The chemical transport model PMCAMx was extended to investigate the eddects of partitioning and photochemical aging of primary biomass burning emissins on organic aerosol (OA) concentrations. A source-resolved version of the model was developed, PMCAMx-SR, in which biomass burning OA (bbOA) and its oxidation products are represented seperately from the other OA sources. The volatility distribution of bbOA was simulates using recent measurements. According to PMCAMx-SR, during the early summer period simulated, the contribution of bb emissions to total OA levels is approximately 4%. During winter the same contribution is nearly 28% due to both extensive residential wood combustion and wildfires in Portugal and Spain. The magnitude of these impacts also depends on the emissions of intermediate volatility organic compounds during biomass burning. In order to evaluate PMCAMx-SR performance, its predictions were compared with aerosol mass spectrometer measurements that took place in several sites around Europe. The new version of the model does have improved performance over the original PMCAMx in most sites. / Το μοντέλο χημικής μεταφοράς PMCAMx επεκτάθηκε ώστε να μελετήσουμε την επίδραση της φωτοχημικής γήρανσης των εκπομπών από καύση βιομάζας στην συγκέντρωση του οργανικού αεροζόλ (ΟΑ). Μια νέα έκδοση του μοντέλου αναπτύχθηκε, PMCAMx-SR, στην οποία το οργανικό αεροζόλ από καύση βιομάζας και τα προιόντα οξείδωσης του παρουσιάζονται ξεχωριστά από τις υπόλοιπες πηγές ΟΑ. Η κατανομή πτητικότητας του οργανικού αεροζόλ από καύση βιομάζας προσομοιώνεται χρησιμοποιώντας πρόσφατες μετρήσεις. Σύμφωνα με το PMCAMx-SR, κατά την καλοκαιρινή περίοδο προσομοίωσης, η συνεισφορά των εκπομπών από καύση βιομάζας στα συνολικά επίπεδα ΟΑ είναι περίπου 4%. Κατά την διάρκεια του χειμώνα η ίδια συνεισφορά είναι περίπου 28% εξαιτίας εκτεταμένης οικιακής καύσης ξύλου και πυρκαγιών στην Πορτογαλία και την Ισπανία. Σημαντικός είναι και ο ρόλος των εκπομπών οργανικών σωματιδίων ενδιάμεσης πτητικότητας από καύση βιομάζας. Για να αξιολογήσουμε το PMCAMx-SR, οι προβλέψεις του συγκρίθηκαν με τις μετρήσεις ΑΜS που έλαβαν χώρα σε αρκετά μέρη στην Ευρώπη. Η νέα έκδοση του μοντέλου έχει βελτιώσει την απόδοση του αρχικού μοντέλου PMCAMx σε αρκετά μέρη ανά την Ευρώπη.

Η καλλιέργεια του γλυκού σόργου [Sorghum bicolor (L.) Moench] θεωρείται ως μια από τις προτεινόμενες ενεργειακές καλλιέργειες προκειμένου να αξιοποιηθεί για την παραγωγή βιο-αιθανόλης στα Μεσογειακά οικοσυστήματα. Σ΄ αυτά τα συστήματα το νερό αποτελεί φυσικό πόρο υπό έλλειψη και η χρήση του θα πρέπει να γίνεται με σχεδιασμό σύμφωνα με τις ανάγκες των καλλιεργειών. Η καλλιέργεια του γλυκού σόργου στη Δ. Ελλάδα την περίοδο του θέρους συχνά υπόκειται σε υδατική καταπόνηση. Προς τούτο στο αγρόκτημα του Πανεπιστημίου Πατρών τις καλλιεργητικές περιόδους 2003-2004 & 2004-2005 εγκαταστάθηκαν πειράματα πεδίου με στόχο τη μελέτη της επίδρασης δύο χειρισμών της γονιμότητας του εδάφους και διαφορετικών επιπέδων άρδευσης και σε μια σειρά παραμέτρους όπως: Οι αποδόσεις της καλλιέργειας σε βιομάζα και σάκχαρα, στους δείκτες αύξησης, «Ρυθμός Aύξησης της Kαλλιέργειας, CGR», και «Δείκτη φυλλικής επιφάνειας LAI». Επίσης μελετήθηκε η επίδραση των δύο χειρισμών της γονιμότητας του εδάφους στη φωτοσυνθετική δραστηριότητα των φύλλων των φυτών. Υπολογίστηκαν οι ανάγκες της καλλιέργειας σε νερό με βάση τον υπολογισμό της εξατμισοδιαπνοής κατά Pemnan-Monteith (Μοντέλο FAO) και το προταθέν μοντέλο από τους ερευνητές Δέρκα και Λιακάτα στις εδαφοκλιματικές συνθήκες του Πανεπιστημίου Πατρών (Ρίον). Παράλληλα έγινε σύγκριση των δεδομένων με μετρήσεις της διαπνοής με τη μέθοδο της ροής των χυμών. Ο παράγοντας - χειρισμός της γονιμότητας του εδάφους – ορίστηκε ως «συμβατικός» και «βιολογικός» χειρισμός ενώ για κάθε συνδυασμό χειρισμών υπήρχαν τρεις επαναλήψεις. Για την καλλιεργητική περίοδο 2003-2004 και για το επίπεδο άρδευσης Ι1=420 mm (πλήρη άρδευση) οι αποδόσεις σε νωπή βιομάζα ( βλαστοί και φύλλα ) ήταν στο «συμβατικό» χειρισμό του εδάφους 8,71±0,2 Kgm-2 και στον «βιολογικό» χειρισμό του εδάφους 8,6±0,06 Kgm-2 αντίστοιχα. Οι αποδόσεις σε ξηρά βιομάζα ήταν αντίστοιχα για τον «συμβατικό» χειρισμό του εδάφους 2,29±0,055 Kgm-2 και για τον «βιολογικό» χειρισμό του εδάφους 2,4±0,036 Kgm-2 . Για το επίπεδο άρδευσης Ι2=170 mm οι αποδόσεις σε νωπή βιομάζα ( βλαστοί και φύλλα ) ήταν στο «συμβατικό» χειρισμό του εδάφους 8,29±1,2 Kgm-2 και στον «βιολογικό» χειρισμό του εδάφους 6,12±0,5 Kgm-2 αντίστοιχα. Οι αποδόσεις σε ξηρά βιομάζα ήταν αντίστοιχα για τον «συμβατικό» χειρισμό του εδάφους 2,76±0,367 Kgm-2 και για τον «βιολογικό» χειρισμό του εδάφους 2,04±0,18 Kgm-2 Για την καλλιεργητική περίοδο του 2004 - 2005 για το επίπεδο άρδευσης Ι1=515 mm οι αποδόσεις σε νωπή βιομάζα ήταν στο «συμβατικό» χειρισμό του εδάφους 10,63±0,645 Kgm-2 ολικής ΝΒ, 9,47±0,6 Kgm-2 ΝΒ στελεχών (ποσοστό 89,08%) και 3,94±0,17 Kgm-2 ολικής ΞΒ. Αντιστοίχως για το «βιολογικό» χειρισμό 10,6±0,096 Kg m-2, 9,57±0,6 Kg m-2 (ποσοστό 90,28%) και 3,96±0,42 Kg m-2. Για το επίπεδο άρδευσης Ι2=303mm στο «συμβατικό» χειρισμό 7,54±0,452 Kgm-2 ολικής ΝΒ, 6,58±0,38 Kgm-2 ΝΒ στελεχών (ποσοστό 87,26%) και 2,66±0,215 Kgm-2 ολικής ΞΒ. Αντιστοίχως για το «βιολογικό» χειρισμό 9,22±0,447 Kg m-2, 8,3±0,527 Kg m-2 (90,2%) και 3,13±0,209 Kg m-2. Για το επίπεδο άρδευσης Ι3=230mm στο «συμβατικό» χειρισμό 7,67±0,538 Kgm-2 ολικής ΝΒ, 6,78±0,44 Kgm-2 ΝΒ στελεχών (ποσοστό 87,26%) και 2,51±0,23 Kgm-2 ολικής ΞΒ. Αντιστοίχως για το «βιολογικό» χειρισμό 7,89±0,13 Kg m-2, 6,9±0,17 Kg m-2 (90,2%) και 2,76±0,052 Kg m-2. Στατιστική επεξεργασία των αποτελεσμάτων (ANOVA) έδειξε ότι δεν υπάρχουν σημαντικές διαφορές στις αποδόσεις σε βιομάζα μεταξύ των χειρισμών της γονιμότητας του εδάφους. Αντιθέτως διαπιστώθηκαν σημαντικές διαφορές στις αποδόσεις μεταξύ των επιπέδων άρδευσης. Επίσης μελετήθηκε η επίδραση του χρονοδιαγράμματος άρδευσης για τα τρία επίπεδα άρδευσης στις μεταβολές της εδαφικής υγρασίας. / The cultivation of sweet sorghum [Sorghum bicolor (L.) Moench] is considered a proposed energy crops in order to be used in the production of bio – ethanol in Mediterranean ecosystems. Water consists a resource in shortage in these ecosystems and its use must be organized according to cultivation needs. Sweet sorghum crops in western Greece during summer frequently undergoes water deprivation therefore, field studies have been conducted in the University of Patras farm during the agricultural periods 2003 – 2004 & 2004 – 2005 aiming the study of the influence of two manipulation of soil fertility and levels of irrigation as well as a Sevier of parameters such as: The crops yields in biomass, sugar and growth rates « Crop Growth Rate », CGR and « Leaf Area Index », LAI. Furthermore the influence of two manipulation of soil fertility on the photosynthetic activity of plant leaves has been studied. The needs of the crop in water have been calculation of evapotranspiration according to Penman-Monteith ( FAO model ) and the proposed model by researchers Derca and Liakata in the soil climatic conditions of Patras University ( Rion ). Simultaneously the data have been compared to measurements of transpiration with the Sap Flow method. The factor – soil fertility manipulation – was determined as «conventional» and «biological» manipulation while for every combination three repetitions were made. For agricultural period 2003-2004 and for an irrigation level Ι1=420 mm «full irrigation» the yields in fresh biomass ( stems and leaves ) were with the «conventional» manipulation of 8,71±0,2 Kgm-2 and with the «biological» manipulation of the soil 8,6±0,06 Kgm-2 respectively. The yields dry biomass were respectively with the «conventional» manipulation of the soil 2,29±0,055 Kgm-2 and with the «biological» manipulation 2,4±0,036 Kgm-2 . For an irrigation level Ι2=170 mm the crop yield in fresh biomass ( stems and leaves ) were with the «conventional» manipulation of 8,29±1,2 Kgm-2 and with the «biological» 6,12±0,5 Kgm-2 respectively. The yields dry biomass were respectively with the «conventional» manipulation of the soil 2,76±0,367 Kgm-2 and with the «biological» 6,12±0,5 Kgm-2 respectively 2,04±0,18 Kgm-2. For the agricultural period 2004 – 2005 and with an irrigation level Ι1=515 mm the crop yields in fresh biomass were with the «conventional» soil 10,63±0,645 Kgm-2 total FB ( fresh biomass ) 9,47±0,6 Kgm-2 FB of stems (89,08%) και 3,94±0,17 Kgm-2 total DB (Dry biomass). Respectively with the «biological» soil manipulation 10,6±0,096 Kg m-2, 9,57±0,6 Kg m-2 (90,28%) and 3,96±0,42 Kg m-2. For irrigation level Ι2=303mm with the «conventional» manipulation 7,54±0,452 Kgm-2 total FB, 6,58±0,38 Kgm-2 FB of stems (87,26%) and 2,66±0,215 Kgm-2 total DB. Respectively with the «biological» manipulation 9,22±0,447 Kg m-2, 8,3±0,527 Kg m-2 (90,2%) and 3,13±0,209 Kg m-2. For irrigation level Ι3=230mm with the «conventional» manipulation 7,67±0,538 Kgm-2 total FB, 6,78±0,44 Kgm-2 FB of stems (87,26%) and 2,51±0,23 Kgm-2 total DB. Respectively with the «biological» manipulation 7,89±0,13 Kg m-2, 6,9±0,17 Kg m-2 (90,2%) and 2,76±0,052 Kg m-2. Statistical processing of the results (ANOVA) showed that there are no significant differences in crops biomass yields between the two soil manipulations on the contrary. Significant differences were established between the different irrigation levels in addition, the influence of the irrigation schedule on the variations of soil moisture were examined for the three irrigation levels.

Ο αγροτικός τομέας αποτελεί ένα σημαντικό παράγοντα οικονομικής και κοινωνικής συνοχής στην Ελλάδα, τόσο σε εθνικό όσο και σε περιφερειακό επίπεδο. Είναι ένας τομέας με μεγάλα περιθώρια αναπτύξεως, διότι η χώρα μας κατέχει σημαντικά συγκριτικά πλεονεκτήματα για την ανάπτυξή του. Για την ανάπτυξη του αγροτικού τομέα ακρογωνιαίο λίθο αποτελεί η οργανωμένη διαχείριση των καλλιεργειών. Ο κύριος παράγοντας για την ανάπτυξη των καλλιεργειών είναι η άρδευσή τους, και ακόμη περισσότερο ο βέλτιστος τρόπος άρδευσης. Σημαντικό ρόλο παίζει η εκπαίδευση των καλλιεργητών στην εξοικονόμηση νερού, για παράδειγμα σχετικά με τις ανάγκες σε χρόνο άρδευσης, τη ρύθμιση της ποσότητας νερού ανάλογα με το είδος της καλλιέργειας. Στην Ελληνική πραγματικότητα σε πολλές περιοχές δεν υφίσταται υποδομή της ΔΕΗ, και αυτός είναι ένας από τους βασικούς λόγους για τον οποίο οι καλλιεργητές χρησιμοποιούν πατροπαράδοτους τρόπους για την άρδευση, όπως τα αυλάκια, οι λεκάνες και διαδικασίες που στηρίζονται στη χρήση πετρελαίου. Οι συγκεκριμένοι τρόποι έχουν αρνητικές περιβαλλοντικές και οικονομικές επιπτώσεις. Σκοπός αυτής της μεταπτυχιακής διπλωματικής εργασίας είναι οικονομοτεχνικής αξιολόγησης συστημάτων ανανεώσιμων πηγών ενέργειας για την άρδευση γεωργικών εκτάσεων στο Θεσσαλικό κάμπο με τη χρήση φωτοβολταϊκών στοιχείων ή συστήματος Βιομάζας, σε μία περιοχή στην οποία δεν είναι συνδεδεμένη με το δίκτυο της ΔΕΗ. Το πρώτο στάδιο περιλαμβάνει µία γενική αναφορά στις Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ), στην ανάπτυξή τους και η χρήση τους στον Ευρωπαϊκό Χώρο. Σε δεύτερο στάδιο παρουσιάζονται πληροφορίες για την ηλιακή ενέργεια και τα φωτοβολταϊκά στοιχεία, σχετικά µε την κατασκευή, τη λειτουργία και τις εφαρμογές τους. Το τρίτο στάδιο αναπτύσσεται η έννοια της Βιομάζας, οι επιπτώσεις και οι προοπτικές της. Στο τέταρτο στάδιο γίνεται αναφορά στους τρόπους άρδευσης γεωργικών εκτάσεων και τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα αυτών. Το πέμπτο στάδιο αναφέρεται στη μεθοδολογία αξιολόγησης συστημάτων άρδευσης με την χρήση φωτοβολταϊκών και με τη χρήση συστήματος Βιομάζας. Στη συνέχεια ακολουθεί η παρουσίαση του προβλήματος, η πιλοτική εφαρμογή με τη χρήση διαφόρων παραδοχών και τα αποτελέσματα αυτών. Στο τέλος παραθέτονται τα συμπεράσματα. / The agricultural sector constitute an important factor for the economic and social cohesion of Greece, both at national and regional level. It is a sector, which has great growth margins, because our country holds major comparative advantages for development. The rational crop management is the cornerstone of agricultural sector. The optimal way of irrigation influence the crop growth. Grower have to be educated so as understand the importance to save water in the procedure of irrigation, for example how often they have to irrigate their crops, the amount of water considering the type of crop, et all.. In the Greek reality there are areas that have no electric power supply by the grid system, and this is one of the main reasons why irrigation is achieved using traditional ways such as furrows, basins and by fuel powered individual pumps. These ways have negative environmental and economic consequences. The aim of this graduate diploma thesis is the study of the financial and technical assessment of renewable energy systems for the irrigation of agriculture areas in Thessaly (Greece) using photovoltaic (PV) elements or biomass system, in an area which is not connected to the grid. In the first stage of the dissertation are presented a general introduction to the Renewable Energy Sources (RES), their development and their use in the European Area. In a second stage we proceed with the solar energy systems and the PV elements (construction, operation, applications and cost).. The third stage are mentioned the system of biomass, the impacts and prospects. Following we refer to the ways of farmland irrigation and their advantages/disadvantages. The whole irrigation problem is examined and alternative solutions are proposed. Finally, the results are presented and conclusions are drawn.

Η αναερόβια χώνευση αποτελεί στις μέρες μας μια σημαντική βιολογική διεργασία απομάκρυνσης του οργανικού φορτίου των αποβλήτων με ταυτόχρονη παραγωγή ενέργειας υπό μορφή βιοαερίου (μίγμα μεθανίου και διοξειδίου του άνθρακα). Η χρήση υποστρωμάτων φυτικής προέλευσης (βιομάζα) και κυρίως ενεργειακών φυτών έχει αποδειχθεί ότι μπορεί να δώσει υψηλές αποδόσεις σε βιοαέριο. Στη διδακτορική αυτή διατριβή μελετήθηκε η αναερόβια επεξεργασία του στερεού/υγρού αποβλήτου που προέρχεται από την αλκοολική ζύμωση του γλυκού σόργου, αλλά και η χρήση του αυτού καθ’ αυτού γλυκού σόργου, προκειμένου να εξεταστούν ο ρυθμός υδρόλυσης και αποδόμησης της οργανικής ύλης και η ικανότητα των αναερόβιων συστημάτων να επεξεργάζονται τέτοιου είδους υποστρώματα και να παράγουν ενέργεια υπό μορφή βιοαερίου. Στόχος της παρούσης εργασίας ήταν η ανάπτυξη ενός καινοτόμου διβάθμιου συστήματος αναερόβιας χώνευσης στερεών αποβλήτων και βιομάζας, όπου τα στάδια της υδρόλυσης και της μεθανογένεσης διαχωρίζονται, προκειμένου να μελετηθεί χωριστά για κάθε στάδιο η βελτιστοποίηση των συνθηκών λειτουργίας του και οι επιμέρους παράμετροι που επηρέαζαν τη διεργασία της αναερόβιας χώνευσης, με απώτερο σκοπό τη μεγιστοποίηση της παραγωγή του βιοαερίου. Τα υπολείμματα του αποβλήτου της αλκοολικής ζύμωσης του γλυκού σόργου μετά και από την απομάκρυνση της αιθανόλης με απόσταξη, αποτελούνταν από ένα δύσκολα βιοαποδομήσιμο στερεό/υγρό μίγμα υψηλής συγκέντρωσης στερεών (9% TS) και υψηλής συγκέντρωσης χημικά απαιτούμενου οξυγόνου ΧΑΟ (~115 g/l). Αρχικά, εξετάσθηκε η πιθανότητα η υδρόλυση και η χώνευση του αποβλήτου της αλκοολικής ζύμωσης του γλυκού σόργου να γίνει σε σύστημα ενός σταδίου. Οι βέλτιστες συνθήκες της αναερόβιας χώνευσης του αποβλήτου αυτού προσδιορίστηκαν χρησιμοποιώντας διαφορετικές οργανικές φορτίσεις, καταλήγοντας στο συμπέρασμα ότι η υδρόλυση των στερεών ήταν το περιοριστικό βήμα της διεργασίας. Έτσι, το απόβλητο διαχωρίστηκε σε δύο φάσεις, στερεή και υγρή, όπου μελετήθηκε χωριστά το στάδιο της υδρόλυσης και της χώνευσης, αντίστοιχα. Τα αποτελέσματα των πειραμάτων αυτών οδήγησαν στο συμπέρασμα ότι μια αποδοτική επεξεργασία του αποβλήτου απαιτεί το διαχωρισμό της στερεής από την υγρή φάση, ώστε να βελτιστοποιηθούν οι συνθήκες της αναερόβιας χώνευσης για κάθε φάση χωριστά, μεγιστοποιώντας τους διαφορετικούς ρυθμούς υδρόλυσης και αποδόμησης της στερεής και της υγρής φάσης, καταλήγοντας σε μια περισσότερο αποδοτική διάταξη αναερόβιας χώνευσης. Έτσι δημιουργήθηκε ένα σύστημα αναερόβιας χώνευσης δύο σταδίων αποτελούμενο από έναν θερμόφιλο υδρολυτικό και έναν μεσόφιλο ταχύρυθμο μεθανογόνο χωνευτήρα, όπου εξετάστηκε η απόδοση του συστήματος σε μεθάνιο. Ο ρυθμός παραγωγής μεθανίου του συστήματος έφτασε τα 16 l CH4/l αποβλήτου με συνολικό υδραυλικό χρόνο παραμονής 19d. Στη συνέχεια, το διβάθμιο αναερόβιο σύστημα που αναπτύχθηκε, χρησιμοποιήθηκε και σε πειράματα αναερόβιας χώνευσης με υπόστρωμα το γλυκό σόργο. Το ενεργειακό αυτό φυτό βιβλιογραφικά θεωρείται ως μια πολλά υποσχόμενη ανανεώσιμη πηγή ενέργειας, το οποίο κάτω από συγκεκριμένες βιολογικές διεργασίες μπορεί να δώσει υψηλές αποδόσεις ενέργειας, υπό μορφή βιοαερίου. Ένα μεγάλο μέρος του γλυκού σόργου αποτελείται από εύκολα διαλυτούς υδατάνθρακες. Έτσι πριν την αναερόβια επεξεργασία του, εφαρμόστηκε ένα στάδιο υδατικής εκχύλισης. Το εκχυλισμένο υγρό κλάσμα πλούσιο σε ΧΑΟ (14-34 g/l) και το στερεό υπόλειμμα της εκχύλισης με 20% ολικά στερεά και υψηλό ΧΑΟ (~1,2 g/g VS) τροφοδοτήθηκαν στο καινοτόμο διβάθμιο αναερόβιο σύστημα, επιτυγχάνοντας 70-80% υδρόλυση των στερεών, με ταυτόχρονα υψηλή παραγωγή μεθανίου της τάξεως του 0,63 l/l αντιδραστήρα/d και υδραυλικό χρόνο παραμονής του συστήματος 22d. Συμπερασματικά, το διβάθμιο σύστημα αναερόβιας χώνευσης λειτούργησε το ίδιο αποτελεσματικά και με τα δύο υποστρώματα, με ικανοποιητικές αποδόσεις όσον αφορά την υδρόλυση των στερεών και την παραγωγή βιοαερίου, αποδεικνύοντας έτσι και την ευρύτερη εφαρμογή του στο τομέα της παραγωγής ενέργειας από βιομάζα (ενεργειακά φυτά). Προτείνεται η μελέτη διαφόρων μαγιών, όπως είναι η αγελαδοκοπριά, η χρήση της οποίας φέρει ιδιαίτερα χαρακτηριστικά και ιδιότητες τα οποία βελτιώνουν τις αποδόσεις ως προς τη διεργασία της αναερόβιας χώνευσης του στερεού γλυκού σόργου. / In our days anaerobic digestion has received an increasing interest, as it is an effective method for the biological treatment of a variety of organic wastes, by degrading the organic matter and converting it into energy in the form of biogas (a mixture of methane and carbon dioxide). The use of biomass, especially energetic plants, as substrate has been proved that could yield a high biogas production. In this research work, the anaerobic treatment of the solid/liquid wastes from alcohol fermentation of sweet sorghum, but also the use of the cultivated sweet sorghum as substrate was investigated, in order to study the hydrolysis and degradation rates of organic matter and the ability of anaerobic systems to produce energy in the form of biogas using such solids substrates. The main aim of this work was the development of an innovative two-stage anaerobic digestion system for solid wastes and biomass, in which hydrolysis and methanogenesis was taking place in two different bioreactors (a hydrolyser and a methanizer) respectively. Hence, it was possible to investigate for each separate stage the optimal operating conditions and parameters that affect the anaerobic digestion process with the intention to maximize the biogas production. The sweet sorghum residues stream, originating from the alcoholic fermentation of sweet sorghum and the subsequent distillation step, contained high concentration of solid matter (9% TS) and thus could be characterized as a semi-solid, not easily biodegradable wastewater with high COD (115 g/l). At first, the possibility of direct hydrolysis and digestion of bioethanol process sludge (sweet sorghum residues) in a single-stage system was examined. Optimal conditions for the anaerobic digestion of this particular waste were determined using different organic loadings, concluding that solids hydrolysis was the process limiting step. Thus, in order to optimize the process performance, it was suggested to separate the solid and liquid phases of the wastewater and to treat the two streams under different operating conditions. Hence, a novel two-stage anaerobic bioreactor system consisted of a thermophilic hydrolyser and a mesophilic high-rate methaniser was made. The application of the proposed two-stage configuration achieved a methane production of 16 l/l wastewater under a hydraulic retention time of 19 days. Energetic plants such as sweet sorghum are a promising renewable energy resource. The energy contained in the chemical bonds of carbohydrates could be converted to fuels such as methane through anaerobic digestion. The anaerobic conversion of sweet sorghum to biogas was studied using the novel two-stage bioreactor system. Since a large portion of carbohydrates in sorghum were easily extractable, a water extraction step was preceded. The extracted liquid portion of sweet sorghum, rich in COD (14-34 g/l) and the remaining solid portion with 20% total solids and high COD (~1,20 g/g VS), were treated successfully in a two-stage anaerobic digestion system achieving a solids hydrolysis of 70-80% with a high simultaneous methane production on the order of 0,63 l/l reactor/d under a hydraulic retention time of 22 days. It could be concluded that using a two-stage anaerobic digestion system in treatment of organic materials with high solids concentration, performs efficiently in hydrolysis of solids and production of biogas and could be employed for energy production from biomass (such as energetic plants). Finally, a study over the use of other microbial biomasses, such as cow manure, which seems that has particular properties that improve the anaerobic digestion yields during processing of lingocellulosic materials, is proposed.

- / -

Η ηλιακή ενέργεια και το νερό είναι δύο φυσικοί πόροι που παίζουν σημαντικό ρόλο στις αποδόσεις των ενεργειακών καλλιεργειών για την παραγωγή βιοκαυσίμων και επομένως η ορθολογική διαχείριση τους είναι σημαντική για το περιβάλλον. Η παραγόμενη βιομάζα από τις ενεργειακές καλλιέργειες - ως προϊόν φωτοσυνθετικής δραστηριότητας των φυτών - εξαρτάται από την αθροιζόμενη ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας που φθάνει σε ένα τόπο και το ποσοστό αξιοποίησης της από τη φυτική κόμη της καλλιέργειας. Επίσης εξαρτάται από τη διαθεσιμότητα του νερού στο έδαφος προκειμένου να καλυφθούν οι ανάγκες της καλλιέργειας σε νερό. Ο βαθμός αξιοποίησης και των δύο φυσικών πόρων υπολογίζεται με δύο δείκτες. Το συντελεστής αξιοποίησης της ηλιακής ακτινοβολίας (Radiation Use Efficiency, RUE) και το συντελεστή αξιοποίησης του νερού (Water Use Efficiency, WUE). Αντικείμενο της εργασίας θα είναι ο υπολογισμός των δύο δεικτών του βαθμού αξιοποίησης των δύο ανωτέρω φυσικών πόρων σε πειραματική καλλιέργεια γλυκού σόργου στο Πανεπιστήμιο Πατρών. Επίσης είναι σημαντικό να εκτιμηθεί η κατανάλωση νερού καλλιέργειας γλυκού σόργου λόγω του φαινομένου της εξατμισοδιαπνοής. Προς τούτο θα υπολογισθεί η εξατμισοδιαπνοή αναφοράς κατά FAO με βάση τη σχέση Penman-Monteith. / -

Στην παρούσα εργασία μελετήθηκαν οι μεταβολές του ολικού αζώτου σε φυτά γλυκού σόργου (Sorghum bicolor (L) Moench) ποικιλίας Keller που καλλιεργήθηκαν με δύο τρό-πους διαχείρισης, το βιολογικό και το συμβατικό. Σκοπός της εργασίας ήταν να διαπιστωθεί εάν οι πρακτικές βιολογικής διαχείρισης της γονιμότητας του εδάφους που εφαρμόστηκαν ήταν επαρκείς για την κάλυψη των αναγκών του γλυκού σόργου σε άζωτο, προκειμένου να επιτευχθούν αποδόσεις που να προσεγγίζουν τις αποδόσεις του συμβατικού τρόπου καλλιέρ-γειας. Τα πειράματα πεδίου πραγματοποιήθηκαν σε αγρόκτημα στο χώρο του Πανεπιστημί-ου Πατρών (θέση: ΓΠ: 38° 25΄ Β, ΓΜ: 21° 8΄ Α) την περίοδο 2003-2004. Η αύξηση της ξηρής βιομάζας ακολούθησε την ίδια πορεία και στους δύο χειρισμούς, δείχνοντας σιγμοειδή μεταβολή με το χρόνο. Ο τρόπος διαχείρισης του εδαφικού αζώτου δεν επηρέασε τις αποδόσεις σε ξηρή βιομάζα, οι οποίες ήταν της τάξεως των 24,47 t ha-1 (σε φύλλα και βλαστό), εκ των οποίων το 86,5 % αφορούσε στους βλαστούς. Θεωρήθηκαν δε ικανοποιητικές, καθώς βρίσκονται στα επίπεδα που αναφέρονται στη βιβλιογραφία για τη συμβατική καλλιέργεια του γλυκού σόργου. Η συγκέντρωση του αζώτου σε ολόκληρα τα φυτά και τα επιμέρους όργανα έδειξε ανα-μενόμενη διακύμανση κατά τη διάρκεια της καλλιεργητικής περιόδου, ενώ δε διαπιστώθη-καν σημαντικές διαφορές ανάμεσα στους δύο χειρισμούς. Η πρόσληψη αζώτου από τα φυτά ακολούθησε διαφορετικά πρότυπα στους δύο χειρισμούς, με τα φυτά του βιολογικού χειρι-σμού να προσλαμβάνουν σημαντικά μεγαλύτερα ποσά στα πρώτα στάδια αύξησης, που είναι και τα πιο καθοριστικά για τη θρέψη των φυτών. Αν και το ολικό ποσό αζώτου που προσέ-λαβαν τα φυτά του βιολογικού χειρισμού σε όλη την καλλιεργητική περίοδο (10,39 g N m-2) ήταν μικρότερο από αυτό του συμβατικού χειρισμού (14,23 g N m-2), κυμάνθηκε στα επίπε-δα που δίνονται στη βιβλιογραφία. Οι αναλύσεις εδάφους έδειξαν ότι το μεγαλύτερο μέρος του ανόργανου αζώτου που προ-σέλαβαν τα φυτά προήλθε από το νιτρικό άζωτο. Οι πρακτικές διαχείρισης του εδαφικού αζώτου ευνόησαν τα φυτά του βιολογικού χειρισμού, τα οποία εντοπίσαμε ότι είχαν μία σημαντικά μεγαλύτερη ποσότητα διαθέσιμου ανόργανου αζώτου σε όλη τη διάρκεια της καλλιεργητικής περιόδου. Τέλος, οι δείκτες αζωτούχου θρέψης μας βοήθησαν να επιβεβαιώ-σουμε κάποια προηγούμενα συμπεράσματα, θεωρούμε, όμως, ότι απέτυχαν στο να αποδώ-σουν την πραγματική θρεπτική κατάσταση των φυτών. / In the present work we studied the tissue total nitrogen fluctuation of sweet sorghum plants (Sorghum bicolor (L) Moench, variety Keller), having been cultivated under conventional and alternative nutrient management strategies. Aim of the study was to ascertain whether the applied soil fertility practices of the biological management were sufficient in terms of the crop’s nitrogen nutrition, in order to achieve yields approaching those of the conventional one. Field experiments were conducted at the Patras’ University farm (lat. 38° 25΄ Β, long. 21° 8΄ Α) during the period 2003-2004. Dry matter growth followed the same pattern at both treatments, showing a sigmoid variation with time. Treatment had no effect on dry matter yields, which reached the 24,47 t ha-1 (leaves and stems), with stems accounting for 86,5 % of total dry matter yield. Dry matter yields were considered to be satisfying, as they matched the ones reported in literature for conventional management. The plant tissue nitrogen content exhibited an expected fluctuation during crop growth, while treatment had no major effect. Crop nitrogen uptake showed different patterns, with the biologically grown plants having acquired greater amounts during the early stages of development, which are considered to be the most determinative for plant nutrition. Despite the fact that the total amount of nitrogen uptaken by the plants of the biological treatment (10,39 g N m-2) was less than that of the conventional one (14,23 g N m-2), still the values were higher than those encountered in literature. Soil analysis suggested that the greater part of nitrogen acquired by the crop derived from nitrate nitrogen. Soil nitrogen management favoured the biologically treated plants, having at their disposal a significantly greater amount of available inorganic nitrogen throughout the growing season. Lastly, although nitrogen nutrition indices helped us to confirm some of the preceding outcomes, it is considered that they failed to reveal the actual nutritional state of the crop.

The KDV-process uses catalytic depolymerisation to convert biomass into diesel oil. The environmental performance of KDV-diesel in a proposed KDV-plant located in the County of Jämtland, Sweden, was assessed using Life Cycle Assessment (LCA) methodology. The functional unit of the study was one litre of KDV-diesel and the environmental impact categories that were considered were Global Warming Potential (GWP), Eutrophication Potential (EP) and Acidification Potential (AP). The acquisition of wood biomass significantly affected the life cycle performance of KDV-diesel production in all three impact categories. When benchmarked against conventional diesel oil, KDV-diesel contributed significantly less to GWP, since there are no fossil carbon dioxide (CO2) emissions from the use phase, but it contributed more to EP and AP due to slightly higher emissions in the production phases. This conclusion holds true for five investigated electricity-supply scenarios for the production of KDV-diesel. Each scenario utilised a different source for electricity production: wind power; hydro power; nuclear power; coal power; and using part of the produced KDV-diesel for on-site electricity production. Another scenario analysis compared an alternative use of the wood biomass and assumed that the same amount of wood biomass was used to generate bio-electricity, instead of being converted into KDV-diesel. The scenario analysis indicated that whether wood biomass should be used for KDV-diesel production or for bio-electricity production depends on the type of electricity that is used throughout the life cycle of KDV-diesel. / KDV-processen använder katalytisk depolymerisering för att omvandla biomassa till dieselolja. Miljöprestanda för KDV-diesel från en föreslagen KDV-anläggning i Jämtland län, Sverige, har studerats med livscykelanalys (LCA) metodik. Studiens funktionella enhet var en liter av KDV-diesel och de studerade miljöpåverkanskategorierna var Klimatpåverkan (GWP), Övergödning (EP) och Försurning (AP). Skogsbruket påverkade signifikant livscykelprestanda för KDV-dieselproduktion från trädbiomassa i de tre studerade miljöpåverkanskategorierna. Kontrasterad mot konventionell dieselolja bidrog KDV-diesel betydligt mindre till GWP eftersom det inte finns några utsläpp av fossil koldioxid (CO2) under användningsfasen, men bidrog samtidigt mer till EP och AP på grund av något högre utsläpp i produktionsfasen. Denna slutsats gäller för fem olika elförsörjning scenarier för produktion av KDV-diesel som studerats. Varje scenario använde olika typ av elproduktion: vindkraft; vattenkraft; kärnkraft; kolkraft; samt att använda en del av den producerade KDV-diesel för egen elproduktion. En annan scenarioanalys studerade alternativ användning av trädbiomassan och antog att samma mängd träbiomassa användes för att generera bio-elektricitet istället för KDV-diesel. Scenarioanalysen visade att utfallet för ifall träbiomassan borde användas för produktion av KDV-diesel eller bio-electricitet beror på typen av elproduktion som används för KDV-diesels livscykel. / Η διαδικασία KDV χρησιμοποιεί καταλυτικό αποπολυμερισμό για τη μετατροπή βιομάζας σε καύσιμο ντίζελ. Οι περιβαλλοντικές επιδόσεις του KDV-ντίζελ σε μια προτεινόμενη μονάδα KDV που βρίσκεται στην περιφέρεια Γιέμτλαντ της Σουηδίας, αξιολογήθηκαν με τη μέθοδο Αξιολόγησης του Κύκλου Ζωής (LCA). Η λειτουργική μονάδα της μελέτης ήταν ένα λίτρο KDV-ντίζελ και οι κατηγορίες περιβαλλοντικών επιπτώσεων που εξετάστηκαν ήταν το Δυναμικό Θέρμανσης του Πλανήτη (GWP), το Δυναμικό Ευτροφισμού (EP) και το Δυναμικό Οξίνισης (AP). Η απόκτηση της βιομάζας ξύλου επηρέασε σημαντικά την απόδοση του κύκλου ζωής της παραγωγής KDV-ντίζελ και στις τρεις κατηγορίες περιβαλλοντικών επιπτώσεων. Σε σύγκριση με το συμβατικό πετρέλαιο ντίζελ, το KDV-ντίζελ συνέβαλε σημαντικά λιγότερο στο GWP, δεδομένου ότι δεν υπάρχουν εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα (CO2) ορυκτής προέλευσης κατά τη φάση της χρήσης, αλλά συνέβαλε περισσότερο στο EP και στο AP λόγω ελαφρώς υψηλότερων εκπομπών στις φάσεις της παραγωγής. Το συμπέρασμα αυτό ισχύει για πέντε σενάρια παροχής ηλεκτρισμού για την παραγωγή του KDV-ντίζελ που μελετήθηκαν. Σε κάθε σενάριο χρησιμοποιήθηκε μια διαφορετική πηγή ενέργειας για την παραγωγή ηλεκτρισμού: αιολική ενέργεια, υδροηλεκτρική ενέργεια, πυρηνική ενέργεια, ηλεκτροπαραγωγή με καύση άνθρακα και χρήση μέρους του παραγόμενου KDV-ντίζελ για επιτόπια παραγωγή ηλεκτρισμού. Μια διαφορετική ανάλυση σεναρίου συνέκρινε μια εναλλακτική χρήση της βιομάζας ξύλου, υποθέτοντας ότι η ίδια ποσότητα βιομάζας ξύλου χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή βιο-ηλεκτρισμού, αντί να μετατραπεί σε KDV-ντίζελ. Η ανάλυση σεναρίου κατέδειξε ότι η χρήση της βιομάζας ξύλου για την παραγωγή KDV-ντίζελ ή για την παραγωγή βιο-ηλεκτρισμού εξαρτάται από την πηγή ενέργειας που χρησιμοποιείται για την παραγωγή ηλεκτρισμού καθ’όλη τη διάρκεια του κύκλου ζωής του KDV-ντίζελ.

H ιδέα της παρούσας μεταπτυχιακής ερευνητικής εργασίας βασίζεται στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας με φωτοαποικοδόμηση οργανικών ρύπων, μέσω φωτοηλεκτροχημικών κυψελίδων(PECs). Mε τον τρόπο αυτό επιτυγχάνεται η κατανάλωση των οργανικών ουσιών και η μετατροπή της ηλιακής ακτινοβολίας σε ηλεκτρική ενέργεια. Ο σκοπός της εργασίας ήταν η παρασκευή, ο χαρακτηρισμός, η μελέτη φωτοευαίσθητων ηλεκτροκαταλυτών και η μορφοποίηση τους σε ηλεκτρόδια, των οποίων εξετάστηκε και αναλύθηκε η φωτοηλεκτροχημική τους συμπεριφορά. Η φωτοηλεκτροχημική κυψελίδα αποτελείται από τα ηλεκτρόδια ανόδου και καθόδου, τα οποία φέρουν το φωτοκαταλύτη και τον ηλεκτροκαταλύτη αντίστοιχα. Εξαιτίας του n-τύπου ημιαγωγού που φέρει η φωτοάνοδος καθώς και της πρόσπτωσης της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας πάνω στον ημιαγωγό, παρατηρείται η απορρόφηση φωτονίων και ο σχηματισμός ζεύγους ηλεκτρονίων-οπών. Η διαδικασία απορρόφησης ενός φωτονίου,για τη δημιουργία φωτοφορέων,απαιτεί το ποσό ενέργειας του φωτονίου να είναι μεγαλύτερο ή ίσο από/με το ενεργειακό χάσμα του ημιαγωγού. O ρυθμός επανασύνδεσης των φωτοπαραγόμενων ηλεκτρονίων και οπών περιορίζεται, με τη χρήση «θυσιαζόμενων ενώσεων», οι οποίες μπορεί να είναι δέκτες ή δότες ηλεκτρονίων. Με τον τρόπο αυτό προκαλούνται στην επιφάνεια του ημιαγωγού μη αντιστρεπτές αντιδράσεις, όπως οξείδωση των φωτοπαραγόμενων οπών, ώστε οι διαθέσιμοι φορείς φορτίου να ξεκινήσουν τις οξειδοαναγωγικές αντιδράσεις. Παράδειγμα, τέτοιων θυσιαστήριων ενώσεων αποτελεί η μεθανόλη, η οποία χρησιμοποιήθηκε στη συγκεκριμένη ερευνητική εργασία. Ως φωτοκαταλύτες χρησιμοποιήθηκαν η νανοκρυσταλλική τιτανία, TiO2 και ο σύνθετος ημιαγωγός TiO2/CdS, ο οποίος και παρασκευάστηκε με τη μέθοδο SILAR. Συγκεκριμένα το διοξείδιο του τιτανίου είναι η εμπορικά διαθέσιμη Degussa P-25, με αναλογία ανατάση:ρουτηλίου 3:1. Ως ηλεκτροκαταλύτης χρησιμοποιήθηκε ο εμπορικός καταλύτης Pt (30%)/C, πάνω σε αγώγιμο ύφασμα άνθρακα (Carbon Cloth). Η μελέτη των ηλεκτροδίων πραγματοποιήθηκε σε κατάλληλους φωτοηλεκτροχημικούς αντιδραστήρες, που σχεδιάστηκαν και κατασκευάστηκαν από τον κ. Λιανό για το σκοπό αυτό, ενώ έγινε χρήση λαπτήρα προσομοίωσης ορατής και υπεριώδους ακτινοβολίας. Η νανοκρυσταλλική τιτανία (ΤiO2) ως φωτοκαταλύτης, έχει ενεργειακό χάσμα 3,2eV και απορροφά φωτόνια μόνο στο υπεριώδες φάσμα της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Για την αντιμετώπιση του ζητήματος αυτού, τοποθετήθηκε ευαισθητοποιητής θειούχου καδμίου (Csd) του οποίου το ενεργειακό χάσμα είναι 2,42eV και ενεργειακά έχει υψηλότερη στάθμη, από το διοξείδιο του τιτανίου, με αποτέλεσμα την αύξηση της απόκρισης στο ορατό φάσμα. Η ορατή ακτινοβολία απορροφάται από τον φωτοευαισθητοποιητή, ο οποίος διεγείρεται και εφόσον το ενεργειακό επίπεδο του διεγερμένου ηλεκτρονίου είναι ηλεκτραρνητικότερο από τη στάθμη αγωγιμότητας του TiO2, μεταπηδά στο TiO2 και συμμετέχει στην φωτοηλεκτροχημική διαδικασία. Η οπή που διαχωρίζεται από το διεγερμένο ηλεκτρόνιο, παραμένει στον φωτοευαισθητοποιητή και συμμετέχει σε αντιδράσεις οξείδωσης. Η ποιότητα και η αποτελεσματικότητα της καθόδου, παίζει εξίσου σπουδαίο ρόλο με εκείνη της ανόδου. Η απόδοση των φωτοηλεκτρικών κυψελίδων ελέγχεται μέσω του συντελεστή πληρότητας (Fill Factor), ο οποίος φαίνεται να παρουσιάζει μεγαλύτερη τιμή όσο αυξάνονται οι επιφάνειες των ηλεκτροδίων της ανόδου και της καθόδου, ενώ βέλτιστη απόδοση της φωτοηλεκτροχημικής κυψελίδας έχει επιτευχθεί με τη χρήση ηλεκτροδίου Carbon Cloth εμπλουτισμένου με νανοσωματίδια Pt (0.5mg Pt/cm2). Οι κυριότερες κατηγορίες των οργανικών ενώσεων που χρησιμοποιούνται ως οργανικοί ρύποι είναι οι αλκοόλες, οι πολυόλες και τα οξέα, ενώ στην παρούσα εργασία πιο αποδοτική φάνηκε να είναι η χρήση της μεθανόλης. / The idea behind this master’s degree thesis is based on the production of electrical energy through photo-degradation of organic emissions using photo-electrochemical cells. This way the consumption of the organic emissions and the conversion of the solar power to electricity are achieved. This thesis was aiming at the production, the characterization and the study of photosensitive electrocatalysts and turning them into electrodes, whose electrochemical behavior was studied and analyzed. The photo-electrochemical fuel cell is composed of the anode and cathode electrodes, who bare the photocatalyst and electrocatalyst respectively. Due to the n-type semiconductor on the photo-anode and its exposure to electromagnetic radiation, consumption of photons is observed and hole-electron pairs are formed. The energy of the incoming photon needs to be higher than the band gap of the semiconductor, for it to be absorbed and carriers to be created. The recombination rate of those carriers is reduced by using sacrificial agents or hole scavengers, which can be donors or acceptors of electrons. This way non- reversible reactions are achieved. Example of those is methanol, which was used in the present thesis. As photo-catalysts nanocrystals of titanium oxide and the composite semiconductor TiO2/CdS were used. The electro-catalyst Pt/C on carbon cloth was utilized. The study of the electrodes was performed used photo-electrochemical reactors designed by Prof. Lianos in combination with lamps simulating the solar spectrum. The nanocrystals of titanium oxide have a band gap of 3.2eV (in the UV region) which is the reason why CdS was deposited on top. The later has a band gap of 2.42eV and so increases the absorption in the visible region of the spectrum. The visible radiation is absorbed by the CdS layer and since the excited electron in more electronegative than the conduction band of the titanium oxide, it lowers its energy by hopping to the titanium oxide layer and participates in the photo-electrochemical procedure. The hole that’s left behind in the CdS layer is participating in the oxidation reactions. The performance of the photoelectrical cells was calculated through the fill factor and has an increasing value for increasing area of the electrodes. The optimum performance of the photoelectrochemical fuel cell was achieved by using a carbon cloth electrode enriched with Pt (0.5mg Pt/cm2). The primary categories of organic compounds used as organic emissions are alcohols, polyols and acids. The optimum performance was achieved by using methanol.

Στην παρούσα εργασία μελετήθηκε το πρόβλημα της σταθεροποίησης συστημάτων αναερόβιας χώνευσης σε συνθήκες μεγιστοποίησης του παραγόμενου βιοαερίου, υπό την παρουσία διαταραχών στην είσοδο του συστήματος. Εξήχθη ένα απλοποιημένο μοντέλο δύο καταστάσεων, για χρήση του για τους σκοπούς της ρύθμισης της διεργασίας. Για την παρακολούθηση της διεργασίας κατασκευάσθηκε ένα περιβάλλον παρακολούθησης σε LabView, με τη μέτρηση να είναι ο ρυθμος παραγωγής του βιοαερίου. Για τη σταθεροποίηση του συστήματος, αναπτύχθηκε ένας αναλογικός, ως προς τη μέτρηση του βιοαερίου, νόμος ανάδρασης εξόδου. Ο νόμος ανάδρασης σταθεροποιεί τη διεργασία σε μία μεγάλη περιοχή γύρω από τη βέλτιστη μόνιμη κατάσταση, χωρίς να οδηγεί στην έκπλυση της βιομάζας. Αυτή η ικανότητα του ρυθμιστή, δοκιμάσθηκε τόσο σε επίπεδο προσομοιώσεων όσο και σε πειραματικό επίπεδο. Αναπτύχθηκε, επίσης, θεωρία σχεδιασμού μη γραμμικών παρατηρητών, οι οποίοι χρησιμοποιούνται για την εκτίμηση των άγνωστων καταστάσεων και παραμέτρων της διεργασίας, που δεν μπορούν να μετρηθούν, καθώς και για την ανίχνευση πιθανών διαταραχών και υπολογισμό του μεγέθους τους. / The present work studied the problem of stabilization of anaerobic digesters in maximum biogas production rate conditions, under the effect of disturbances in the feed. A two state, simplified model was developed for control purposes. For monitoring of the process, a LabView monitoring environment was developed, with the biogas production rate being the measured output of the system. For stabilizing the system of the anaerobic reactor, a proportional with respect to the measured methane production rate output feedback control law was developed. The control law stabilizes the process in a very large region around the optimal steady state without driving the system towards washout of the biomass. This ability of the controller was tested both with simulation and experimentally. Also a nonlinear observer theory was developed. The designed nonlinear observer was used for estimating the unknown states and parameters of the system that cannot be measured and for the detection of the potential presence and magnitude of a disturbance.